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1、传感器定义 传感器作用 传感器组成 传感器分类,传感器,国家标准（GB7665-87）中传感器（Transducer/Sensor）的定义：,能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。,传感器是测量装置，能完成检测任务； 输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等； 输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；,传感器名称：变送器、变换器、探测器、敏感元件、换能器、一次仪表、探头等,传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。,V、I、f、P,传感器的定义,现代信息技术的三大基础： 信息采集、传输与处理
2、技术 分别应用到 传感技术、通讯技术和计算机技术 构成了信息技术系统中的 “感官”、“神经”、“大脑”,1.5传感器,传感器的作用,由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。,最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。,实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些
3、是带反馈的闭环系统。,传感器的组成,1、按传感器的工作机理，分为物理型、化学型、生物型等,2、按构成原理，结构型与物性型两大类,3、根据传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器,4、按照物理原理分类：十种,5、按照传感器的用途分类 ：位移、压力、振动、温度传感器,7、根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号,6、根据转换过程可逆与否 ：单向和双向,8、根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器,传感器的分类,结构型传感器：依赖结构参数的变化实现信息转换 利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。这类传感器的特点是传感器的工作原理是以传感器中元
4、件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。,物性型传感器：依赖敏感元件的物理特性的变化实现信息转换 利用物质定律构成的,如虎克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物性型传感器的性能随材料的不同而异。如，光电管，它利用了物质法则中的外光电效应。所有半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的传感器，都属于物性型传感器。,传感器的分类,能量控制型传感器：在信息变化过程中，传感器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源，使外
5、部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号，这类传感器必须由外部提供激励源，如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这一类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传感器。,传感器的分类,能量转换型传感器：又称有源型或发生器型，传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于此类传感器。,按照物理原理分类： 电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等； 磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等； 压电式传感器：声波传感器、超声波传感器； 光电式传感器：一
6、般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等； 气电式传感器：电位器式、应变式； 热电式传感器：热电偶、热电阻； 波式传感器：超声波式、微波式等； 射线式传感器：热辐射式、射线式； 半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻； 其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。 有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式,如不少半导体式传感器，也可看成电参量式传感器。,传感器的分类,传感器测量原理(1),本章学习要求：,1.掌握电阻式传感器的工作原理 2.了解电阻式传感器的结构、分类 3.了解电阻传感器的测量电路 4.了解电阻传感器的应用,工程测试技术基础,第二讲 传感器测量原理（1）
7、,2.1 概述,1. 传感器定义,传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。,目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。,转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。,基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。,传感器的组成,敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。,弹性敏感元件（弹簧管）,弹簧管(布尔登管）将压力转换为角位移,P418,最简单的传感
8、器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。,由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。,实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。,本课中，传感器泛指将一个被测物理量按照一定的物理规律转换为另一物理量的装置，着重研究装置的信号转换规律，并不严格区分其是一
9、个敏感元件还是一个传感器。,2、按传感器的工作机理，分为结构型与物性型,1、按照被测物理量，分为位移、压力、振动、温度传感器等，表明传感器的用途,传感器的分类,结构型传感器：依赖结构参数的变化实现信息转换 场定律,2)物性型传感器：依赖敏感元件的物理特性的变化实现信息转换 物质定律,3、按传感器使用电源与否：分为有源传感器和无源传感器；按传感器的能量转换情况，分为能量控制型传感器和能量转换型传感器,4、按照工作原理分类：十大类,电阻式 电感式 磁电式 压电式 电容式,光电式 热电式 陀螺式 机械式 流体式,5、按传感器输出信号，分为开关型、模拟型和数字型,2.2 电阻式传感器,电阻式传感器是把
10、被测量转换为电阻变化的一种传感器,第二讲 传感器测量原理（1）,3个参数中的1个或数个发生变化，电阻R就变化！,按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、压阻式.,（一）变阻器式传感器的构造与原理 1.机械结构 2.物理模型 3.数学模型,一、 变阻器式传感器（电位器式传感器）,变阻式传感器,等效电路分析:,l 电位计电阻元件长; x 电刷移动量. R 总电阻; Rx电刷电阻;,l,x,=,R,Rx,=,Ui,Uo,变阻式传感器,电位计,电位计空载输出电压,当电位计结构及电源电压确定后，理想线性电位计KR和KU为常数，因此线性电位计输出电压与电刷位移（或转角）成呈线性关系。,动
11、手做一做,如何变成传感器? 一个具体的工程实例: 请将电位器接入实际身高测量应用中.,1.结构误差 阶梯特性与阶梯误差,（二）工程应用中存在的问题,阶梯误差是一种原理误差，它限制了电位计的精度和分辩力。,2.负载特性 负载特性与负载误差,若使非线性误差(1020) R,m为电位计的负载系数,（三）产品及应用,某些电刷结构,由于测量领域的不同，电位器结构及材料选择有所不同。但是其基本结构是相近的。电位器通常都是由骨架、电阻元件及活动电刷组成。常用的线绕式电位器的电阻元件由金属电阻丝绕成。,按制作方式：,线绕电位器,线绕电位器,薄膜电位器,(四) 变阻器式传感器的性能参数: 1)线性(或曲线的一致
12、性); 4)移动或旋转角度范围; 2)分辨率; 5)电阻温度系数; 3)整个电阻值的偏差; 6)寿命,(3)变阻器式传感器的分类,按测量类型：,单圈电位器,多圈电位器,直线滑动式电位器,特点及应用,优点 结构简单,性能稳定,输出信号大,受外界条件影响小等优点 缺点 动态响应差,精度差,分辨率低,YCO-l50型压力传感器原理图,膜盒电位器式压力传感器原理图,电位器式加速度传感器示意图,电位计的技术指标,应用 常用来测位移,压力,加速度. 问题: 前述的测身高装置如何改为测体重装置?,案例：重量的自动检测-配料设备,原理：弹簧-力-位移 -电位器-电阻,案例：煤气包储量检测,原理：钢丝-收线圈数
13、 -电位器 -电阻,案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ）,原理：电机-转角 -电位器 -电阻,变阻器式传感器产品,2 电阻应变式传感器-应变片,电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。,拉,压,1) 工作原理,上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数,金属应变片的电阻R为,代入,有：,金属丝：,金属丝体积不变：,电阻丝轴向变形,电阻丝材料的泊松比,有：,其中,与电阻丝轴向正应力有关，为压阻系数，E为弹性模量,由电阻丝几何尺寸变化引起,由电阻丝电阻率随应变的改变而引起,对金属材料， 近似看作导电
14、率不变：,金属丝应变片：,电阻变化与应变成正比，电阻应变片灵敏度系数定义：,Sg的范围在（ 1.74.0）,应变计,金属应变计,半导体应变计,优点：灵敏度大;体积小; 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,半导体应变片灵敏度,3) 应变片的主要参数,4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。,1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用 bL表示。,2）电阻值：应变计的原始电阻值。 (60,90,120,300,500,1000),3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。,4) 应变片的误差及补偿,影响应变片精度的主要因素是温度 电阻值随
15、温度的变化而改变； 应变片与衬底材料的热膨胀系数不一样。 应变片测量的另一误差来自应变片的大小和测点的位置,（2） 温度补偿（自补偿法和线路补偿法） 单丝自补偿应变片 每一种材料的被测试件，其线膨胀系数都为确定值,选择应变片敏感栅材料，使其电阻温度系数和线膨胀系数满足一定条件，可实现温度自补偿。 双丝组合式自补偿应变片 两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反。 电路补偿法, 电路补偿法 如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为 式中A由桥臂电阻和电源电压决定的常数。,USC,R2,R4,R1,R3,U,桥路补偿法
16、,由上式可知，当R3、R4为常数时，Rl和R2对输出电压的作用方向相反。利用这个基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一。,测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面，图中R1称为工作应变片。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，图中R2，称为补偿应变片。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。由于R1与R2接入电桥相邻臂上，造成R1t与R2t相同，根据电桥理论可知，其输出电压USC与温度无关。当工作应变片感受应变时，电桥将产生相应输出电压。,当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即 上式中可以选择R1=R2=R及R3=R4=R。 当温度升高或降低时，若R1t=R2t，即两个应变片的热输出相等，可知电桥的输出电压为零。 若有应变作用，只会引起电阻R1发生变化，R2不承受应变。 电桥输出电压只与应变有关，与温度无关。,根据被测试件承受应变的情况，可以不
